目录1 过程控制系统简介 (2)1.1 系统组成 (2)1.2 电源控制台 (3)1.3 总线控制柜 (3)2 实验原理 (4)2.1 单容水箱设备工作原理 (4)2.2 双容水箱设备工作原理 (7)2.3 系统工作原理 (9)2.4 控制系统流程图 (9)3实验结果分析 (11)3.1 实验过程 (11)3.2实验分析 (12)3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12)3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14)3.2.3单容双容水箱比较 . (16)3.3实验结论 (17)总结 . (18)参考文献 (19)1 过程控制系统简介1.1 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3、执行机构调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

变频器：本装置采用SIEMENS 带PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V ，输出为三相AC220V 。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W 。

可移相SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA 标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

4、控制器控制器采用SIEMENS 公司的S7300 CPU，型号为315-2DP ，本CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-DP 通讯功能的DP 通讯接口。

5、空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V 转换为DC24V ，给主控单元和DP 从站供电。

(2 控制站：控制站主要包含CPU 、以太网通讯模块、DP 链路、分布式I/O DP从站和变频器DP 从站构成。

(3 温度变送器： PA 温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP 链路。

2 实验原理2.1 单容水箱设备工作原理单容实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为中水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。

图2.1 单容水箱图 (a结构图 (b方框图所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。

单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。

一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。

图2-1所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q 1，改变阀1的开度可以改变Q 1的大小。

其流出量为Q 2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q 2。

液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程. 若Q 1作为被控过程的输入变量,h为其输出变量, 则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A将公式（2-1）表示成增量式为 dh dt (2-1∆Q 1-∆Q 2=A d ∆hdt (2-2在静态时，Q 1=Q 2；当Q 1发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，Q 2也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线形关系[2]。

但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀2的阻力R 2成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q 2。

消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。

这里，介绍后一种方法。

2（a ）X0 t 0图2-2液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为：W 0(s =K 0H (s R 2==Q 1(s R 1Cs +1T 0s +1 (2-3式中：T 0——过程的时间常数，T 0=R 2c ；K 0——过程的放大系数，K 0=R 2；C ——过程的容量系数，或称过程容量。

被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。

其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。

图2-2（b ）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。

从上述分析可知，液阻R 2不但影响过程的时间常数T 0，而且还影响过程的放大系数K 0，而容量系数C 仅影响过程的时间常数。

在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。

如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。

下面讨论纯时延过程的建模。

图2-3 纯时延单容过程及其响应曲线图2-3所示，流量Q 1通过长度为l 的管道流入贮罐。

当进水阀开度产生扰动后，Q 1需要流经管道长度为l 的传输时间t 0后才流入贮罐，才使液位h发生变化。

具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2-2曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延t 0。

具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为d ∆h T 0+∆h =K 0Q 1(T -t 0 dt W 0(s=K 0H(s=e -t 0s Q 1(sT 0s +1 (2-4式中：T 0——过程的时间常数，T 0=R 2c ；K 0——过程的放大系数，K 0=R 2；t 0——过程的纯时延时间。

二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。

2.2 双容水箱设备工作原理双容实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。

图2.5 双容水箱图 (a结构图 (b方框图在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。

现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。

其被控量是第二只水箱的液位h 2，输入量为Q 1与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程∆Q 1-∆Q 2=C 1d ∆h 1 (2-5 dt∆Q 2=∆h 1R 2 (2-6 d ∆h 2dt (2-7 ∆Q 2-Q 3=C 2∆Q 3=∆h 2R 3 (2-8为了消去双容过程的中间变量h 1、Q 2、Q 3，将上述方程组进行拉氏变换。

W 0(s =K 0H 2(s =Q 1(s (T 1s +1(T 2s +1 (2-9 式中：R 1——第一只水箱的时间常数，T 1=R 2C 1；T 2——第二只水箱的时间常数，T 2=C 2R 3；K 0——过程的放大系数，K 0=R 3；C 1, C 2——分别是两只水箱的容量系数。

流量Q 1有一阶跃变化时，被控量h 2的响应曲线。

与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数h 2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。

即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。

产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使h 2的响应时间向后推移。

容量时延可用作图法求得，即通过h 2响应曲线的拐点D 作切线，与时间轴相交与A ，与h 2相交与C ，C 点在时间轴上的投影B ，OA 即为容量时延时间t c ，AB 即为过程的时间常数T 。

对与无自衡能力的双容过程，被控量为h 2，输入量为Q 1。

Q 1产生阶跃变化时，液位h 2并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。

h 2对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。

W 0(s =H 2(s 11 (2-10 =Q 1(s T 0s (Ts +1式中：T 0——过程积分时间常数，T 0 = C2；T——第一只水箱的时间常数。

同理，无自衡多容过程的数学模型为W 0(s =11 (2-11 T 0s (Ts +1 n当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为11-t 0s (2-12 e n T 0s (Ts +1 W 0(s =2.3 系统工作原理本系统的主控量为上水箱的液位高度H ，副控量为气动调节阀支路流量Q ，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H 等于给定值，因而系统的主调节器应为PI 或PID 控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H 的控制目的，因而副调节器可采用P 控制。

但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI 控制规律。